昆蟲成蟲滯育的研究進展

孟 佳，王竹紅，黃 建

(福建農(nóng)林大學植物保護學院，福建福州350002)

近年來有關(guān)昆蟲成蟲滯育的研究明顯增多，成為昆蟲滯育研究的熱點之一，研究的昆蟲種類涉及到膜翅目、鱗翅目、同翅目和直翅目等，其中以半翅目和鞘翅目昆蟲種類為多。研究范圍從滯育環(huán)境生理和內(nèi)分泌生理深入到滯育的分子機制(王洪亮，2007)。我國學者主要對三帶喙庫蚊Culex tritaeniorhynchus(董言德等，1998)、七星瓢蟲Coccinella septempunctaca Linnaeus(王偉等，2011)、稻水象甲Lissorhoptrus oryzophilus Kusch(季相華，2008)和中華通草蛉Chrysoperla sinica(Tjeder)(許永玉，2001)等成蟲的滯育進行了研究報道?；瘜W物質(zhì)作為昆蟲機體的基本構(gòu)造成分和新陳代謝的基質(zhì)及能源物質(zhì)，其含量變化過程是漸變的，以此為標準所得出的滯育發(fā)生、維持、解除則也是一個由量變到質(zhì)變的過程(高玉紅等，2006)。

1 昆蟲成蟲滯育的特點

昆蟲成蟲滯育是一種生殖滯育，更具體地說是對卵黃原蛋白的抑制。成蟲滯育存在較大的性別差異，有些僅發(fā)生在雌蟲滯育，如在以成蟲越冬的蚊子和小花蝽中，其雄蟲在雌蟲還未進入滯育狀態(tài)時，就使雌蟲受精，然后雄蟲死去，不進入滯育狀態(tài)(王方海等，1998)。

昆蟲成蟲滯育在不同的物種間表現(xiàn)出高度的可變性。滯育通常是一種全或無的反應(yīng)，可某些種類卻能保留在一種穩(wěn)定的中間狀態(tài)(許永玉，2002)，在紅斑翅蝗Oedipoda miniata的雄蟲中，性活動和副腺發(fā)育從完全抑制狀態(tài)到具有充分的生殖能力之間均有發(fā)生，并且任一種穩(wěn)定的中間水平可通過適當?shù)臅冮L處理來達到(Pener and Orshan，1980);在注定滯育的馬鈴薯葉甲中，飛翔肌明顯退化;可有些種類，滯育時常常伴隨著遷飛行為，其飛翔肌則發(fā)育的很好;雖然成蟲滯育多數(shù)在成蟲羽化后就立即開始，但某些種類羽化后先產(chǎn)卵繁殖一段時間，隨后才進入滯育狀態(tài)，并且個別種類還可以重復(fù)進入和解除滯育狀態(tài)(薛芳森等，2002)。

多數(shù)成蟲滯育期間代謝活動會降低，如馬鈴薯葉甲的成蟲進入滯育時，它停止取食，變成正趨地性，潛到地里，飛翔肌退化，性活動停止，卵不能成熟，脂類和糖原水平提高，代謝速度明顯下降(De Kort et al．，1981)。

2 昆蟲成蟲滯育的生理生化變化

進入滯育狀態(tài)的昆蟲，其外部特征主要表現(xiàn)為不取食，不活動，生長發(fā)育停滯，對外界條件反應(yīng)遲鈍，耐寒、耐熱等。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是由于外部環(huán)境條件的變化誘導(dǎo)昆蟲生理生化發(fā)生了一系列顯著變化的結(jié)果。滯育期間，昆蟲體內(nèi)產(chǎn)生一系列的生理生化變化，許多研究涉及了這個領(lǐng)域，成為目前關(guān)注的熱點之一。

2．1 能量代謝的降低與滯育

昆蟲滯育后，其代謝活動也隨之逐漸降低至一個很低的水平，且維持至滯育結(jié)束。因此，在滯育過程中，幾乎所有昆蟲的耗氧量呈U型曲線變化。呼吸代謝隨滯育時間延長而逐步降低是一種節(jié)能的生理表現(xiàn)形式。因為長時間滯育面臨的關(guān)鍵問題是如何減少能量消耗，從而保證滯育后個體的正常發(fā)育。如果能量消耗殆盡，喪失生殖力，則達不到長期滯育種群的生物學目的。

不同種類的滯育昆蟲物質(zhì)代謝的速率及方式各有特點。環(huán)喙庫蚊和按蚊脂肪酸的相對含量在滯育期發(fā)生變化(Hayadawa and Chino，1982)。馬鈴薯葉甲滯育個體的耗氧量和二氧化碳釋放量均比非滯育個體減少3．5-5倍;歐洲玉米螟幼蟲在滯育期間，耗氧量僅為活動期的1/12(南京農(nóng)學院，1985)。

2．2 代謝物質(zhì)的積累與滯育

在前滯育期，許多昆蟲經(jīng)歷一個迅速取食或延長取食時間的階段，這些取食不是全部用于昆蟲的生長與發(fā)育，而是通過不同的代謝途徑將部分能量儲存起來，用于昆蟲滯育期及后滯育期的發(fā)育。如在成蟲前滯育期，卵巢發(fā)育和卵黃形成均受到抑制，昆蟲機體開始積累儲存脂類、蛋白質(zhì)以及其它的碳水化合物。這種能量積累過程可能包括機體一些組織的損壞，翅肌肉、卵巢、睪丸、卵均被吸收，脂肪體和其它的儲存組織則過度生長。血淋巴也積累大量的蛋白質(zhì)、脂類以及碳水化合物(Schaefer and Washino，1969)。

2．2．1 碳水化合物 糖類即碳水化合物(carbohydrates)，是一類多羥醛或酮及其衍生物，既存在于昆蟲細胞中，也存在于血淋巴和結(jié)締組織中，以游離狀態(tài)或與嘌呤、嘧啶、蛋白質(zhì)和脂類等結(jié)合存在，是昆蟲新陳代謝過程中重要的能源物質(zhì)。昆蟲碳水化合物可分為單糖、寡糖、多糖及其衍生物(劉惠霞等，1998)。

近年來國內(nèi)學者的研究表明，淡色庫蚊在鄭州地區(qū)越冬過程中，血淋巴中的總碳水化合物、糖原及糖的含量均表現(xiàn)為9-2月份的下降趨勢，3月份則顯著升高。這種糖代謝的規(guī)律性變化對于淡色庫蚊成功渡過冬季尤為重要。三帶喙庫蚊各階段體內(nèi)糖含量氣相色譜分析表明:長光照處理的蚊體內(nèi)核糖、巖藻糖及木糖含量高于短光照條件處理(蘇天運，1992)。

根據(jù)昆蟲滯育期間糖醇類物質(zhì)積累的不同，Hayakwa等(1982)提出滯育昆蟲可至少分為兩種類型:一類為糖原積累型(glycogen accumulation)，另一類為海藻糖積累型(trehalose accumulation)，如枯葉蛺蝶為海藻糖積累型，非滯育成蟲體內(nèi)海藻糖和糖原含量均較低，越冬成蟲含量相對較高。海藻糖和糖原代謝與氣溫和滯育發(fā)育階段有關(guān)，越冬初期存在海藻糖和糖原積累，期間兩者間存在相互轉(zhuǎn)化(易傳輝等，2009b)。多數(shù)昆蟲滯育誘導(dǎo)期積累糖原，而在滯育解除時轉(zhuǎn)化為糖類和醇類，如中華通草蛉滯育解除過程中糖原含量則呈下降趨勢(陳珍珍等，2013)。

2．2．2 脂肪及脂肪酸 胚后階段滯育的昆蟲以脂類作為能量儲存，如非滯育枯葉蛺蝶成蟲脂肪含量在0．00363-4．7493 mg/g之間;越冬期間脂肪含量在4．479-32．6927 mg/g之間。越冬成蟲脂肪含量相對較高，初期存在積累，較高的脂肪含量有利于枯葉蛺蝶的順利越冬(易傳輝等，2009c)。

在脂類積累的同時，脂肪體細胞也會產(chǎn)生一些超微結(jié)構(gòu)的變化。淡色庫蚊越冬前期(9月)脂肪酸蓄積度為I度，脂肪體多呈現(xiàn)分散狀，脂滴較少;越冬期(10-1月)脂肪蓄積度為Ⅳ度，脂肪體多呈現(xiàn)塊狀，脂滴較多;越冬后期(2-3月)的情況與越冬前期接近。跗斑庫蚊Culex tarsalis和費氏按蚊Anopheles freeborni越冬過程中的脂肪蓄積和消耗過程與淡色庫蚊相似，75%-78%的脂類為甘油三酯，暗示了甘油三酯可以做為成蚊越冬過程中的主要能量物質(zhì)(Schaefer and Miura，1972)。但是在滯育過程中儲存物質(zhì)的消耗程度取決于滯育代謝的強度。

滯育與非滯育昆蟲的脂肪酸組成存在差異，這種現(xiàn)象普遍存在于被研究的昆蟲種類中，如非滯育的一種阿根廷莖象Hyperode bonariensis 43%的脂肪酸為不飽和脂肪酸，而生殖滯育者則為63%。但是經(jīng)低溫處理的蚊蟲比高溫(30℃)條件下含更多的不飽和脂肪酸。低溫和短光照處理者，棕櫚油酸(palmitolei-cacid)和油酸(oleio acid)含量分別為43%和26%，而長光照加低溫處理組含量則分別為31%和20%。處于極端溫度下的昆蟲，其體內(nèi)脂肪的飽和程度將會受到影響(Harwood and Takata，1965)。

2．2．3 蛋白質(zhì)和氨基酸 在昆蟲體內(nèi)存在一些滯育期間合成的，但在滯育結(jié)束后被利用和消失了的一類蛋白。因這類蛋白與滯育有關(guān)，所以被稱為滯育關(guān)聯(lián)蛋白(diapause-associated proteins，DAP)。很顯然，滯育關(guān)聯(lián)蛋白對昆蟲滯育狀態(tài)的維持非常重要。De Loof和De Wilde(1970)曾報告了科羅拉多馬鈴薯葉甲Leptinotarsa decemlineate成蟲血淋巴中滯育蛋白的存在。

有人認為，滯育期間增加的血淋巴游離氨基酸(free aminoacids，F(xiàn)AAs)是滯育后發(fā)育合成蛋白質(zhì)所必需。淡色庫蚊在越冬過程中血淋巴變化不大，可測出血淋巴中18-19種FAAs的總濃度在越冬前期、越冬期和越冬后期分別為59．96，56．61和98．24 nmol/ul。越冬期與越冬前期相比，除胱氨酸和脯氨酸顯著升高外，其它各種FAAs及總FAAs均顯著下降;越冬后期與越冬期相比，各FAAs及總FAAs均顯著升高，其中天門冬氨酸、谷氨酸、丙氨酸、胱氨酸、脯氨酸及總FAAs甚至超過了越冬前期的水平(仵均祥，2002)。

2．2．4 核酸含量 薛瑞德和陸寶麟(1991)認為，短光照可以降低三帶喙庫蚊發(fā)育期間的核酸合成作用。10-15月齡的滯育蚊體內(nèi)DNA含量比發(fā)育蚊低，解滯蚊體內(nèi)RNA與DNA含量比發(fā)育蚊為高。新蚊、發(fā)育蚊、滯育蚊與非滯育蚊體內(nèi)DNA、RNA含量不同。七星瓢蟲成蟲脂肪體核酸代謝與生殖滯育的關(guān)系研究表明，繁殖期雌蟲卵巢發(fā)育I、Ⅱ級時，RNA/DNA分別為2．47和4．50，發(fā)育到Ⅲ級時，RNA/DNA 為8．44，達到高峰，Ⅳ級時降為3．60，產(chǎn)卵后顯著下降到1．76，認為RNA/DNA的比值可做為卵黃蛋白合成的一項指標(關(guān)雪辰和陳娥英，1982)。成蟲羽化后以短光照誘導(dǎo)成蟲滯育，滯育期RNA/DNA及脂肪體蛋白質(zhì)含量比預(yù)滯育期要低，滯育結(jié)束后則迅速上升，并且高于預(yù)滯育期(薛瑞德和陸寶麟，1991)。因此，脂肪體中核酸及蛋白質(zhì)含量的高低可認為是滯育發(fā)生與解除的信號。

2．2．5 其它生理生化的變化 目前昆蟲成蟲滯育期間酶的變化研究很少，但像其他蟲態(tài)一樣，滯育期間酶的活性會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而且酶的變化有很大差別，如異色瓢蟲滯育期間兩種細胞保護酶超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化氫酶(CAT)活性升高，但與新陳代謝有關(guān)的乳酸脫氫酶(LDH)及Na+，K+-ATP酶活性卻降低(趙靜等，2010)。

3 環(huán)境影響成蟲滯育的生理生化特性

3．1 耐旱性和耐高溫性與滯育

對昆蟲耐旱性和耐熱性與滯育關(guān)系的研究還較缺乏。昆蟲通常通過行為上(如挖洞或?qū)ふ译[蔽的地點等)、生理上(如覆蓋蠟層分泌的增加、降低含水量、脂肪含量升高、間歇打開氣門等)、以及形態(tài)上的改變來調(diào)節(jié)機體對干旱和高溫的忍耐度。

3．2 抗寒性與滯育

受季節(jié)變化的影響，大多數(shù)昆蟲在生長發(fā)育過程中都要受到冬季低溫的制約。與此同時，昆蟲在長期進化過程中也形成了一系列的適應(yīng)對策和抗寒機制(陳豪等，2010)。為了避免在滯育期間極端低溫對機體的損傷，昆蟲從滯育開始便在體內(nèi)進行了抗寒性的代謝調(diào)整。有研究表明，較低的水份含量有利于枯葉蛺蝶成蟲保持較高的體液濃度，從而降低冰點和過冷卻點，提高抗寒能力，對滯育成蟲的順利越冬有利?？莶萃惖姆菧上x體內(nèi)水份含量在59．6363-67．5388之間;成蟲羽化初期水份含量較高，后期含量下降;越冬成蟲水份含量在54．9866-67．6164之間，變化幅度較大，水份含量可能與取食和不同發(fā)育階段有關(guān)(易傳輝等，2009a)。不同昆蟲積累的物質(zhì)種類和含量是不同的，但大多數(shù)昆蟲都由幾種抗寒物質(zhì)構(gòu)成一個物質(zhì)系統(tǒng)。

昆蟲抗寒性物質(zhì)包括兩類，即小分子的物質(zhì)和抗凍蛋白(antifreeze proteins，AFPs)。目前已知的小分子抗寒性物質(zhì)有甘油、山梨醇、甘露醇、五碳多元醇(可能是阿拉伯糖醇或核酸醇)、海藻糖、葡萄糖、果糖以及某些昆蟲體內(nèi)的氨基酸和脂肪酸。Duman對黃粉蟲Tenebrio molitor Linnaeus等13種昆蟲的研究表明，糖蛋白的增加與抗寒力的增強存在密切關(guān)系，因而糖蛋白也稱為溫滯蛋白，溫滯蛋白通過吸附到冰核和冰晶表面來阻止水的晶化，從而降低冰點和過冷卻點，產(chǎn)生溫滯效應(yīng)(Duman，1982)。Wu等在一種甲蟲Dendroides canadensis體內(nèi)成功分離純化出4種抗凍蛋白，進一步研究發(fā)現(xiàn)，這些抗凍蛋白本身并不能引起蟲體很高的抗凍性，而是通過吸附到剛形成的冰晶表面，阻止冰核的生長，以降低和穩(wěn)定過冷卻狀態(tài)(Wu et al．，1991)。

陳豪，梁革梅，鄒朗云，郭芳，吳孔明，郭予元．2010．昆蟲抗寒性的研究進展．植物保護，36(2):18-24．

陳珍珍，趙楠，印象初，張帆，許永玉．2013．中華通草蛉自然越冬成蟲在兩種光周期下滯育解除過程中的生理生化變化．昆蟲學報，56(2):120-130．

董言德，薛瑞德，趙丹言．1998．保幼激素Ⅲ對三帶喙庫蚊滯育發(fā)生期間卵巢濾泡和體內(nèi)RNA變化的影響．中國媒介生物學及控制雜志，9(3):161-163．

高玉紅，郭線茹，羅梅浩，王冬燕．2006．煙實夜蛾滯育蛹和非滯育蛹生化特性的比較研究．河南農(nóng)業(yè)大學學報，40(6):627-629．

關(guān)雪辰，陳娥英．1982．七星飄蟲成蟲脂肪體核酸代謝與生殖滯育的關(guān)系．昆蟲學報，25(3):239-243．

季相華．2008．稻水象甲夏季滯育相關(guān)基因的分離與鑒定．浙江大學碩士學位論文．

劉惠霞，李新崗，吳文君．1998．昆蟲生物化學．西安:陜西科學技術(shù)出版社．

南京農(nóng)學院主編．1985．昆蟲生態(tài)及預(yù)測預(yù)報．北京:農(nóng)業(yè)出版社．

蘇天運．1992．淡色庫蚊越冬過程中體重及脂、蛋白質(zhì)、碳水化合物含量的動態(tài)變化．中國媒介生物學及控制雜志，3(6):337-341．

王洪亮．2007．滯育麥紅吸漿蟲的化學物質(zhì)變化與分子機理研究．西北農(nóng)林科技大學博士學位論文．

王偉，張禮生，陳紅印，王娟，張潔，劉遙．2013．北京地區(qū)七星瓢蟲滯育誘導(dǎo)的溫光效應(yīng)．中國生物防治學報，1:24-30．

王方海，周偉儒，王韌．1998．東亞小花蝽的生物學及其人工繁殖．昆蟲天敵，20(1):42-44．

仵均祥．2002．麥紅吸漿蟲滯育化學物質(zhì)變化研究．西北農(nóng)林科技大學博士學位論文．

薛瑞德，陸寶麟．1991．光周期對三帶庫蚊發(fā)育期間體內(nèi)核酸動態(tài)的影響．昆蟲學報，34(2):173-177．

薛芳森，李愛青，朱杏芬，桂愛禮，蔣佩蘭，劉曉芬．2002．大猿葉蟲生活史的研究．昆蟲學報，45(4):494-498．

許永玉．2001．中華通草蛉的滯育機制和應(yīng)用研究．浙江大學博士學位論文．

許永玉，胡萃，牟吉元，徐洪富，王洪剛．2002．中華通草蛉成蟲越冬體色變化與滯育的關(guān)系．生態(tài)學報，22(8):1275-1280．

易傳輝，陳曉嗚，史軍義，周成理．2009a．枯葉蛺蝶非滯育成蟲與越冬成蟲水分含量變化．山東林業(yè)科技，182(2):32-33．

易傳輝，陳曉嗚，史軍義，周成理．2009b．枯葉蛺蝶非滯育成蟲和越冬成蟲體內(nèi)糖類物質(zhì)含量變化．廣東農(nóng)業(yè)科學，10:162-164．

易傳輝，陳曉嗚，史軍義，周成理．2009c．枯葉蛺蝶非滯育成蟲與越冬成蟲脂肪含量變化．山東林業(yè)科技，182(3):65-67．

趙靜，陳珍珍，曲建軍，張帆，印象初，許永玉．2010．異色瓢蟲成蟲冷馴化反應(yīng)及體內(nèi)幾種酶活力的相關(guān)變化．昆蟲學報，53(2):147-153．

De Kort，CAD．1981．Hormonal and metabolic regulation of adult diapause in the Colorado beetle，Leptinotarsa decemlineata(Coleoptera:Chrysomelidae)．Ent．Gen．，17:261-271．

De Loof A，De Wilde J．1970．Hormonal control of synthesis of vitellogenic female protein in the Colorado beetle，L．decemlineata Say．J．Insect Physiol．，16:1455-1466．

Duman JG．1982．Insect antifreezes and ice-nucleating agents．Cryobiology，19(6):613-627．

Hayadawa Y，Chino H．1982．Phosphofructokinase as a possible key enzyme regulating glycerol or trehalose accumulation in diapausing insect．Insect Bio-chem．，12(6):639-642．

Harwood RF，Takata N．1965．Effect of photoperiod and temperature on fatty acid composition of the mosquito Culex tarsalis．J．Insect Physio．，11:711-716．

Pener MP，Orshan L．1980．Reversible reproductive diapause and intermediate states between diapause and full repro-ductive activity in male．Oedipoda misia grasshoppers．Physiol．Ent．，5:417-426．

Schaefer CH，Washino RK．1969．Changes in the composition of lipids and fatty acids in adult Culex tarsalis and A-nopheles freeborini during the overwintering period．Insect Physiol．，5:395-402．

Schaefer CH，Miura T．1972．Sources of energy utilizes by natural populations of the mosquito，Culex tarsalis，for overwinteting．Insect Physio1．，18:797-805．

Tauber MJ，Tauber CA．1986．Seasonal Adaptations of Insects．London:Oxford University Press．

Wu DW，Duman JG，Xu L．1991．Enhancement of insect antifreeze protein activity by antibodies．Biochem．Biophys．Acta．，1076:416-420．